尿液代謝組學在前列腺癌中的應用研究進展*

李宗霖，盧強，李遠偉

[湖南師范大學附屬第一醫院（湖南省人民醫院）泌尿外科，湖南 長沙 410005]

前列腺癌（prostate cancer, PCa）是常見的惡性腫瘤之一，位于全球男性惡性腫瘤發病率第1位和病死率第2位，嚴重危害人類健康安全[1]。隨著我國人口老齡化速度不斷加快，發病率也顯著上升[2]。隨著PCa診療方案不斷優化，歐美發達國家PCa的5年生存率＞80%。我國PCa生存率雖逐年上升，但與歐美發達國家仍有差距[3]。改善PCa患者生存情況的重要措施是如何早期診斷和加強疾病監測，但目前還缺乏高敏感性、高特異性、能夠檢測早期PCa和快速、經濟及便于復查的無創腫瘤生物標志物。因此，進一步篩選出具有上述特征的生物標志物成為當前PCa的研究熱點。

近年來研究表明，代謝組學是一種研究生物體內代謝物種類和數量變化的學科，可以反映生物體在特定生理、病理狀態下的代謝狀態，在腫瘤的早期診斷、疾病進程監測和預后評估中具有巨大的潛力[4]。相較于其他檢查方法，代謝組學主要具有以下幾個優點：生物體液容易獲取且分析起來比較方便[5-6]。此外，小分子代謝物對影響疾病進展的環境和基因的變化都很敏感[7]。尿液代謝組學是代謝組學的重要分支，通過對尿液中的代謝物進行分析，可以反映生物體的代謝狀態[8]。尿液樣本易于獲取，無創傷性，尿液代謝組學在臨床診斷和疾病監測中具有廣泛的應用前景。尤其是在PCa的研究中，尿液代謝組學已顯示出其獨特的優勢[9]。其在PCa的研究中主要包括早期診斷、疾病監測、預后評估和個體化治療等方面。通過對尿液中的代謝物進行分析，可以找到PCa的特異性標志物，從而實現早期診斷；通過動態監測尿液中的代謝物變化，可以評估疾病的進程和治療效果；通過對尿液中的代謝物進行深入研究，可以為PCa的個體化治療提供依據[10]。本文擬對尿液代謝組學在PCa中的應用研究進展進行綜述，以期為PCa診治提供新的思路和方法。

1 尿液代謝組學在PCa早期診斷中的應用

PCa的早期診斷一直是臨床上的一大挑戰。傳統的前列腺特異性抗原（prostate specific antigen,PSA）檢測雖然在一定程度上有助于PCa的檢測，但特異性和敏感性仍有待提高，且可能受到許多非癌癥因素的影響[11]。最近的研究發現，PCa患者的尿液代謝物譜與健康人群存在顯著差異，而這些差異主要體現在某些代謝物的濃度上，這些代謝物可能是PCa的生物標志物。如JANUARIS等[12]采用橫斷面研究設計以及酶聯免疫吸附試驗檢測，發現PCa患者的肌氨酸濃度顯著高于對照參與者，表明尿液中的肌氨酸能夠作為PCa的診斷預測因子。LEE等[13]通過尿基因表達和代謝物特征的綜合分析揭示PCa衍生細胞中異常的谷氨酸代謝和三羧酸循環節點，功能驗證支持谷氨酸代謝和谷氨酸草酰乙酸轉氨酶1依賴性氧化還原平衡在PCa中的作用，可用于新的生物標志物和療法。HTOO等[14]采用基于未修飾的金納米粒子與硫醇化聚合酶鏈式反應產物之間的相互作用，檢測尿液中前列腺癌抗原3（prostate cancer antigen 3, PCA3）含量，發現該方法對PCa細胞系中的PCA3具有特異性，520/640 nm處的吸收比與反應中硫醇化聚合酶鏈式反應產物濃度呈線性關系（R2=0.9798），同時該方法也適用于PCa診斷。LEE等[15]通過系統評價和薈萃分析的方法發現在54項研究（17 575例患者）中，PCA3的敏感性、特異性和診斷優勢比分別為0.71（95% CI：0.67，0.74）、0.68（95% CI：0.63，0.74）和5.28（95% CI：4.28，6.51），曲線下面積為0.75（95% CI：0.71，0.79）。WARLI等[16]評估尿液中PCA3、雄激素調控的跨膜蛋白酶絲氨酸2（transmembrane protease serine 2,TMPRSS2）基因和v-ets禽幼紅細胞增多癥病毒E26同源基因（v-ets avian erythroblastosis virus E26 oncogene homolog, ERG）在檢測PCa方面的效用，發現ERG與PCA3、PCa的發病有關，而ERG和PCA3可以作為PCa的生物標志物。外泌體是一類微小囊泡，可以由不同類型的細胞分泌釋放，廣泛分布于不同生物體個體的不同體液中[17]。外泌體也是細胞間通訊的重要媒介之一，包裹各種不同微小核糖核酸等功能物質，這些物質有著較高的穩定性，可以真實準確地反映出分泌細胞目前的病理生理狀態；同時與正常細胞比較時，惡性腫瘤細胞的代謝會更加活躍，可以釋放出更多的外泌體，鑒于外泌體所具備的特點，對于腫瘤的鑒別診斷具有較好的參考價值。MOUL等[18]發現了一種獨立的尿液基因組測試方法，為高級別PCa提供一種客觀且可操作的基因組風險評估工具，并且是泌尿科和初級保健實踐中有關活檢（靶向、系統或兩者）的知情決策的關鍵部分。

盡管尿液代謝組學在PCa早期診斷中顯示出巨大潛力，但也存在一些挑戰，如尿液中的代謝物種類繁多，分析和識別這些代謝物需要高效的分析技術和復雜的數據處理方法。現有PCa代謝標志物的特異性和敏感性仍需進行更深入的驗證。例如，PCA3作為一種潛在的生物標志物，在區分侵襲性PCa及評估PCa患者預后方面仍存在局限性，對PCA3評分最佳臨界值的確定存在爭議?，F有研究表明，當PCA3評分采用單一臨界值時，可能存在一定的局限性，當PCA3評分采用較低的臨界值時，可以獲得較高的陰性預測值，從而有利于排除PCa的可能性。反之，當采用較高的臨界值時，可以獲得較高的陽性預測值，從而有利于確認PCa的存在。然而，當PCA3評分處于這2個臨界值之間時，可能會出現類似于血清PSA的“灰區”現象，這將對診斷結果產生一定的影響。因此，對PCA3評分臨界值的確定，以及如何處理“灰區”現象，是未來研究的重要方向[19]。

2 尿液代謝組學在PCa疾病監測和預后評估中的應用

尿液代謝組學不僅在PCa的早期診斷中發揮重要作用，而且在疾病的監測和預后評估中也顯示出了巨大潛力。尿液中的代謝物譜可以反映生物代謝狀態，通過分析尿液中的代謝物，可以對疾病的進程、治療效果和預后進行評估。首先，尿液代謝組學可以用于PCa的疾病監測，通過動態監測尿液中的代謝物變化，可及時發現疾病的進展和復發。研究發現PCa患者在接受治療后，尿液中的某些代謝物濃度會發生變化，這些變化可能反映出治療的效果和疾病的狀態。如KOTOVA等[20]研究指出，局限性PCa患者尿沉渣中PCA3基因表達增加是瘤周區局限性PCa和高級別前列腺上皮內瘤變患者根治性前列腺切除術后生化復發風險增加的預測因子。而且當尿沉渣中的ΔCt PCA3和激肽釋放酶3≥ 1.86時，瘤周區PCa和高級別前列腺上皮內瘤變患者的生化復發率顯著提高（84% VS 51%）。SALVI等[21]團隊通過細胞熒光檢測方法支持了尿上清液中細胞外囊泡對PCa的腫瘤發生、轉移擴散和治療抵抗都有重要的作用。一項研究表明尿液外泌體可以從PCa中分離出來，是生物標志物識別的潛在儲存庫。外泌體因為可以將小或短干擾RNA或藥物制劑裝載到外泌體中，故具有治療潛力[22]。DONG等[23]對來自不同Gleason評分的PCa患者尿液樣本中的糖蛋白，通過萃取含糖肽和液相色譜-串聯質譜法進行表征，研究發現與血清樣本相比，患者尿液中大多數侵襲性PCa相關糖蛋白更容易檢測到，這也為區分侵襲性PCa、惰性PCa和其他良性前列腺疾病提供了更好的參考，同時也為治療方案的選擇提供了幫助。

在歷史的研究軌跡中，研究人員觀察到PSA在尿液中表達降低與PCa的發生、發展有一定關系。PSA是一種由前列腺上皮細胞生成的激肽釋放酶，其表達可能在腫瘤的發展過程中發生變化。然而，隨著腫瘤的發展，前列腺的腺體結構可能遭受破壞，導致大量PSA釋放到血液，使血清PSA水平無法準確地反映PCa組織中的PSA表達。這一觀點得到了一系列研究證實，其中包括一項揭示高級別PCa組織中存在PSA表達喪失現象的研究[24]。此外，有研究發現，PCa組織中PSA低表達與Gleason評分提高及細胞增殖加速有關[25]。在一項大樣本的隊列研究中，OCCHIPINTI等[26]發現，尿液中的PSA能更直接地反映前列腺組織中的PSA表達水平，其研究結果顯示，尿液PSA在預測侵襲性PCa方面的陰性預測值和陽性預測值分別為82.7%和47.8%，曲線下面積為0.681，高于護理標準的0.601。將曲線下面積提升至0.713，尿液PSA和護理標準的聯合應用能進一步提高診斷效能。研究發現肌氨酸為PCa發展時明顯增加的代謝物，后續的研究進一步評估了肌氨酸作為PCa生物標志物的可能性，結果表明尿液中的肌氨酸可以作為前列腺疾病早期篩查、病理分期和預后判斷的重要參數，還可以有效地反映PCa的侵襲性狀況[27-28]。此外，尿液中肌氨酸的濃度與PCa的Gleason評分密切相關，其診斷準確性顯著高于血液PSA的檢測[29]。總的來說，盡管在PCa的疾病檢測和預后評估方面已有一定的進展，但這些潛在的生物標志物仍需要進行更深入的研究和驗證。

3 尿液代謝組學在PCa個體化治療中的應用

隨著醫學研究的深入，個體化醫療已經成為未來治療癌癥的重要方向。尿液代謝組學作為一種新興的研究方法，通過分析尿液中代謝物種類和數量的變化，為PCa個體化治療提供了新的研究思路和方法。首先，尿液代謝組學可以幫助醫生了解患者代謝狀態，為患者制訂個體化治療方案。例如，通過分析尿液中的代謝物，可以了解患者的營養狀況、肝腎功能等，這些信息對于制訂治療方案和調整治療策略具有重要的指導意義。其次，尿液代謝組學也可以用于評估治療效果和監測疾病的進展。通過動態監測尿液中的代謝物變化，可以及時發現疾病的復發和進展，從而調整治療方案。此外，尿液中的某些代謝物可能與治療效果有關，可以作為評估治療效果的生物標志物。最后，尿液代謝組學也可以用于預測和評估治療的副作用。BRUZZONE等[30]發現PCa細胞表現出深刻的信號傳導和代謝重編程標記，這些患者尿液中豐度改變的代謝物揭示了與癌癥生物學相關的途徑發生了變化，包括糖酵解和尿素循環。PCa細胞的快速增殖常需要多種物質，為了維持增殖能力，惡性細胞可以通過調整分解代謝和營養物質的攝取來安排代謝重編程，使細胞能夠繞過免疫介導的破壞和對氧化應激的抵抗力[31]。據報道，谷氨酰胺在PCa和其他癌癥中會發生變化：谷氨酰胺可以轉化為谷氨酸，然后轉化為α-酮戊二酸[32-33]。谷氨酰胺可被癌細胞用于乙酰輔酶A生產、蛋白質合成、核苷酸合成、脂質合成和脂肪酸合成[34]。以谷氨酰胺為靶點進行癌癥治療是重要的課題之一，誘導細胞凋亡和影響谷氨酰胺代謝的策略包括以下內容：限制谷氨酰胺攝取、谷氨酰胺剝奪、應用谷氨酰胺類似物、抑制谷氨酰胺代謝酶活性及中斷谷氨酰胺代謝調節劑[35]。因此，識別改變的代謝途徑及在PCa轉化和進展中起主要作用的關鍵分子，可以為轉化應用（包括治療策略的開發）鋪平新的前景。

4 尿液代謝組學在PCa研究中的挑戰與前景

盡管尿液代謝組學在PCa的診斷、疾病監測、預后評估和個體化治療中顯示出了巨大的潛力，但在其廣泛應用的過程中，仍然面臨著一些挑戰。首先，尿液中的代謝物濃度可能受到許多因素的影響，如飲食、藥物、個體差異等，這些因素可能影響到尿液代謝物譜的穩定性和可重復性。因此，如何控制和調整這些影響因素，以獲得更準確和可靠的代謝物濃度數據，是當前研究的一個重要挑戰[36]。其次，尿液代謝組學的研究方法和技術還需要進一步優化。目前的研究方法主要依賴于質譜和核磁共振等技術，這些技術雖然能夠檢測到尿液中的大部分代謝物，但仍有一部分代謝物由于濃度低或結構復雜而難以檢測[37]。再次，數據處理和解析也是一個挑戰，需要開發更高效的算法和軟件來處理和解析大量的代謝組學數據[38]。盡管已經發現了一些可能的生物標志物，但這些標志物的特異性和敏感性還需要進一步驗證[39]。此外，如何將這些標志物應用到臨床實踐中，也需要進行更多的研究。盡管存在這些挑戰，但尿液代謝組學在PCa的研究中仍有廣闊的前景。隨著技術的不斷進步，尿液代謝組學將在PCa的診斷、治療和預后評估中發揮越來越重要的作用，尿液代謝組學也有可能為其他類型的癌癥提供新的研究思路和方法?？偟膩碚f，尿液代謝組學在癌癥研究中的應用，無疑將為醫療科研提供更深入、更全面的癌癥代謝信息，為癌癥的早期診斷和個體化治療開辟新的道路。

5 結論

在過去的幾年中，尿液代謝組學不僅可以更深入地了解PCa的發病機制，而且還可以發現新的生物標志物，為PCa的早期診斷、治療效果評估和預后評估提供了新的方法。盡管尿液代謝組學作為一種開發新的PCa生物標志物的方法具有諸多優勢，但必須承認，在研究的標準化和規范化方面仍需作出更多努力。這是因為在科學研究中，標準化和規范化的方法能夠確保實驗結果的一致性和可重復性，從而提高研究的準確性和可靠性。因此，需要進一步改進和完善尿液代謝組學的研究方法，以提高其在PCa研究中的應用價值。